Numerical study of premixed flame stabilization within porous inert media employing the flamelet generated manifold technique

Abstract

Atualmente, o processo de combustão é o principal responsável pelas emissões de gases do efeito estufa. Uma alternativa para uma matriz energética mais sustentável requer a utilização de combustíveis provenientes de fontes renováveis (biogás, gás de biomassa, etc.). No entanto, esses combustíveis muitas vezes são caracterizados por um baixo poder caloríco, o que torna difícil sua estabilização e controle em queimadores convencionais. Dessa forma, os queimadores porosos são uma opção viável para esse tipo de aplicação. Tal tecnologia permite a recirculação do calor das regiões próximas à frente de chama para regiões de pré-queima resultando no pré-aquecimento da mistura, trazendo como consequência: maior faixa de estabilidade, aumento da e ciência e baixa emissão de poluentes. Nesse contexto, o presente estudo avalia a estabilidade de queimadores porosos em regime estacionário e transiente para diferentes congurações usando uma abordagem numérica. Para contornar o elevado tempo computacional atualmente requerido em simulações de combustão com cinética química detalhada, a técnica Flamelet Generated Manifold (FGM) foi implementada e validada usando um mecanismo cinético de 22 espécies e 104 reações (DRM22) em uma chama pré-misturada estabilizada em um queimador tipo pórtico com perdas de calor. Os resultados demonstram uma boa concordância quantitativa tanto numa abordagem unidimensional quanto bidimensional nos per s de temperatura e nas espécies avaliadas. Além disso, foi realizada uma detalhada comparação da velocidade de chama que mostraram os efeitos da perda de calor pelas bordas do queimador e os efeitos de curvatura na região da ponta da chama. Após, a técnica FGM foi implementada e validada em um queimador poroso em regime estacionário e transiente. Posteriormente, a con guração foi explorada em condições que precedem a condição de blowo para diferentes propriedades da matriz por Posteriormente, a con guração foi explorada em condições que precedem a condição de blowo para diferentes propriedades da matriz porosa. Além disso, foi avaliado o comportamento do queimador quando imposto a diferentes condições de pulsos em regime transiente (período e magnitude) utilizando como condição inicial as condições que precedem o blowo . Foi observado que o aumento da condutividade térmica do sólido reduz a faixa de estabilidade. Isso tem ocorrido devido a estabilização da chama no limite de blowo ser mais a jusante e a diferença de temperatura entre as fases serem maior para diferentes condutividades. Na última parte, foram explorados numericamente dois queimadores porosos axissimétricos com similar mecanismo de estabilização uidodinâmica. No primeiro foi avaliado um queimador poroso divergente, enquanto na segunda abordagem foi mantida a mesma área de passagem transversal, alterando a porosidade e o diâmetro do poro na direção longitudinal. A segunda abordagem também recebe destaque (inclusive no âmbito industrial) devido ao desenvolvimento de tecnologias de manufatura aditiva ocorrido nos últimos anos. Dessa forma, uma comparação da faixa de estabilidade, e ciência da recirculação de calor, além de uma discussão detalhada do comportamento do escoamento na região da chama foram realizadas. Os resultados mostraram que um maior diâmetro de poro e porosidade aumenta condutividade térmica do sólido efetiva, favorecendo a recirculação do calor. Com isso, a con guração com uma variável matriz porosa apresentou uma faixa de estabilidade superior quando comparado com o queimador poroso divergente.

Currently, the combustion process is the main responsible for greenhouse gas emissions. An alternative for a more sustainable energy matrix requires the use of fuels from renewable sources (biogas, biomass, etc.). However, these renewable fuels are often characterized by a low calori c value, which makes it di cult to stabilize in traditional burners. Therefore, porous burners are a feasible alternative for this type of application. This technology allows the recirculation of heat from regions near the ame front to pre- ame regions, resulting in the pre-heating of the unburned gases. The consequences are increased stable range, increased e ciency, and low pollutant emissions. In this context, the present study evaluates the stability of porous burners in steady and transient conditions for di erent con gurations using a numerical approach. Currently, a high computational time is necessary to solve combustion processes when detailed chemistry is required. Thus, the Flamelet Generated Manifold (FGM) technique was implemented and validated step-by-step using a mechanism with 22 species and 104 reactions (DRM22) in a slot burner with heat losses. The results demonstrate a good quantitative agreement for the temperature pro le and species evaluated in one-dimensional and two-dimensional domains. In addition, a detailed evaluation of burning velocity was performed, which showed the in uence of heat loss and curvature of the ame tip in the burning velocity. After, the FGM technique was also implemented and validated in a porous burner considering stationary and transient regimes. The model was explored in conditions that precede the blowo for di erent porous matrix properties. These conditions were applied as initial conditions and pulses with di erent magnitudes and periods were evaluated. It was observed that the increase in the solid thermal conductivity reduces the stability range. his has occurred because the ame stabilization at the blowo limit is located downstream, and the temperature di erence between the phases is higher for di erent conductivities when compared with the porosity. In the last part, two axisymmetric porous burners with a similar uid dynamic stabilization mechanism have been explored. One of them is a porous burner with a conical shape. The second is a porous burner with graded porosity and pore diameter that progressively maintain the same void area for the gas ow of the conical porous burner. The porous matrix with graded porosity is highlighted (including in the industrial eld) due to the recent development of additive manufacturing technologies. Thus, a comparison of stability range, convective heat exchange, and a detailed discussion of the ow behavior near the ame region has been performed.